سیگنال صوت
| دسته بندی | برق ، الکترونیک و مخابرات |
| بازدید ها | 1 |
| فرمت فایل | doc |
| حجم فایل | 1033 کیلو بایت |
| تعداد صفحات فایل | 87 |
سیگنال صوت
مقدمه :
در طراحی و ساخت سیستمهای مخابراتی و صوتی و تصویری مهمترین موضوعی که وجود دارد این است که بتوانیم سیگنال فرستاده شده را به بهترین کیفیت دریافت کنیم و بیشترین شباهت بین سیگنال خروجی و ورودی برقرار باشد و در سیگنال صوت و تصویر اینکه شنونده و بیننده بهترین تصویر ممکن و با کیفیت ترین صدا را دریافت کند.
هر قدر هم که یک سیستم گیرنده با دقت و کیفیت طراحی شود باز هم به علل مختلف خروجی ها بطور کامل دلخواه ما نخواهد بود و اعوجاج سیگنالها و نویز محیط خروجی را خراب خواهند کرد سعی طراحان به این است که ادواتی را به مدار اضافه کنیم تا اینکه خروجی ها به سیگنال ایده آل نزدیک شود .یکی از این مدارات متعادل کننده EQUALIZER است در بحث حاضر ما روی متعادل کننده های صوتی متمرکز خواهیم شد که در فرکانس صوت یعنی 20هرتز تا 20 کیلو هرتز کار می کنند .
امروزه تمام ادوات صوتی مانند رادیو ، ضبط ، اکو ،آمپلی فایر و ... مدارات متعادل کننده به انواع مختلف دیجیتال و آنالوگ وجود دارد .که از لحاظ تعداد کانالهای فرکانسی نیز گوناگون می باشند بسته به نیاز معمولا از 3 کانال تا 20 کانال در صورت امکان دیده می شود که هر چه تعداد کانالها بیشتر باشد امکان کار روی صوت بیبشتر می شود در عین حال هزینه و حجم مدار وسیعتر خواهد شد. اصول کار اکولایزر بر اساس فیلترهای میان گذر می باشد که برای هر کانال فیلترهایی در نظر گرفته می شود در پروژه جاری سعی شده است که سیگنال صوت و روشهای تولید ان بررسی شود ضمن اینکه به ورودی و خروجی مدارات صوتی یعنی میکروفون و بلندگو نیز توجه شده است .
سپس به معرفی اکولایزر و نحوه کار کردن و روشهای ساخت آن پرداخته شده و همچنین بررسی انواع فیلترها و فیلترهایی که در پروژه جاری به کار رفته و طراحی آنها پرداخته شده است .در ادامه به نحوه ساخت و پیاده سازی و طراحی این مدار 6 کاناله توضیح مدار و قسمتهای مختلف آن و توضیح در مورد آمپلی فایر بکار رفته در آن LM380 پرداخته شده است .
فصل اول
معرفی سیگنال صوت :
صوت عبارت از ارتعاشاتی است که قابل شنیدن باشد و این ارتعاشات را اجسام مادی مرتعش در اطراف خود منتشر می سازند .مبحثی از فیزیک که در آن از پدیده صوت بحث می شود اکوستیک نام دارد . هر گونه صوتی را که در نظر بگیریم از لحاظ احساسات مربوط به حس شنوایی دارای سه خاصیت اصلی است : شدت ،ارتفاع و طنین صوت شدت صوت تاثر از انرژی صوتی است که به عوامل مختلفی بستگی دارد :
- مقدار انرژی است که در واحد زمان از واحد سطح عمود بر امتداد انتشار عبور می کند
- دامنه ارتعاشات
- فرکانس ارتعاشات
- جرم واحد حجم از حجم جسم مرتعش
- سرعت انتشار صوت در جسم مرتعش
شدت صوت را ممکن است به کمک خاصیت رزنانس زیاد کرد یعنی :
هر گاه در پهلوی جسم A که قابلیت ارتعاش کردن دارد جسمی مانند B را به ارتعاش در می آوریم اگر پریود مخصوص یکی از ارتعاشات آزاد جسم A مساوی باشد باید پریود ارتعاش جسم B در این صورت جسم A نیز به ارتعاش درخواهد آمد این پدیده را رزنانس و جسم A را رزناتور گویند .
قدرت منابع صوتی :
از روی محاسبه شدت صوت در یک نقطه معین می توان به قدرت منبع آن پی برد این موضوع برای انتخاب محل نطق و خطابه و موزیک و غیر آن دارای کمال اهمیت است .
در مورد صحبت و در حدود فرکانس صدای انسان قدرت متوسط صوت ناطق در حدود میکرو وات است . ولی باید در نظر داشت که انرژی فرکانسهای زیاد صدای انسانی در موقع صحبت با انرژی فرکانسهای کم اختلاف کلی دارد و ممکن است انرژی صوت انسانی در موقع صحبت به هزار میکرووات نیز برسد .
ارتفاع صوت :
صدای خشن و کلفت را بم و صدای نازک و تیز را زیر و خاصیت زیر و بمی هر صوت را ارتفاع آن می نامند . صدای زیر ارتفاع بیشتری از صدای بم دارد .
ثابت شده است که زیر و بم بودن هر صدا با فرکانس آن ارتباط دارد یعنی هر اندازه فرکانس صدا بیشتر باشد صدا زیر تر و هر چقدر فرکانس آن کمتر باشد صدا بم تر است .نکته دیگر اینکه ارتفاع صوت به شدت صوت بستگی ندارد ولی ثابت شده که وقتی شدت صوت زیاد شود اگر صوت بم بوده بم تر و اگر زیر بوده زیر تر می شود .
حدود ارتفاع صوت :
گوشهای معمولی ارتعاشات با فرکانس کمتر از 16 هرتز و بیشتر از 38 کیلو هرتز را حس نمی کنند .ولی حد متوسط برای گوش انسان را بین 20 هرتز و 20 کیلو هرتز در نظر می گیرند .
هارمونیک ها :
وقتی در یک جسم ارتعاشاتی پیدا شوند که فرکانس آنها نسبت به یکدیگر مانند اعداد N ... 3،2، 1 باشند در این صورت بم ترین آنها را ارتعاش اصلی و بقیه آن را هارمونیک آن صوت اصلی می نامند .
طنین صوت :
تجربه نشان می دهد که هرگاه یک نت مخصوص را هر دفعه با یک آلت موسیقی بنوازند در حالی که چشم را بسته باشند گوش بخوبی تشخیص می دهد که این دو صدا از دو اسباب مختلف است .از اینجا معلوم می شود که هر اسباب و آلت موسیقی در موقع ادای یک نت خاصیتی مخصوص به خود دارد .این کیفیت و خاصیت مخصوص به هر صدا را طنین صدا نامند .
برای بیان علت آن فرضیه های مختلفی وجود دارد ، بعضی آنرا بواسطه وجود اختلاف فاز در دو صدا می دانند ، بعضی معتقدند که طنین هر صوت مربوط به عده و نوع و شدت هارمونیک هایی است که با صوت اصلی آن همراه است یعنی مثلا در یک نت هارمونیک هایی دو ،چهار ، شش ، دوازده و بیست موجود است و در دیگری هارمونیک هایی شش و بیست .
روشهای تولید صوت :
- ایجاد یک تک فرکانس بوسیله ارتعاش یک جسم مانند فنر و ترکیب فرکانسهای مختلف.
- تار مرتعش که امواج عرضی روی آن منتشر می شود و این طور در نظر می گیریم که حرکت تعداد معینی از جرمهای مساوی که در طول تار بی جرمی به فاصله های مساوی قراردارند و سپس این تحلیل را به تعداد بی شماری جرم بسط دهیم که فاصله آنها بی اندازه کم است بدین ترتیب بی نهایت نقطه جرمدار تاره نقش خواهیم داشت که حل آن معرفی بی نهایت فرکانس گوناگون ارتعاش است .
- ارتعاش میله ها : نوع مهم دیگر انتشار موجهای طولی در میله است هنگامی که آشفتگی موج طولی در طول چنین میله ای منتشر شود جابجایی ذرات میله به موازات محور آن است اگر ابعاد عرضی میله نسبت به طول آن کوچک باشد هر سطح مقطع عمود بر محور را می توان واحد متحرکی گرفت در واقع هنگام انتشار موج طولی در میله ، تراکم و انبساط لایه ها سبب جابجایی نقاط میله در امتداد عرض می شود ..ولی اگر میله نازک باشد می توان حرکات جانبی لایه ها را نادیده گرفت کاربردهای میله های مرتعشی با موجهای طولی در وسائل آکوستیکی فراوان است .از جمله میله های استانده فرکانس به ابعاد مختلف برای تولید صدا با ارتفاعهای مشخصی را می توان نام برد . در این میله ها فرکانس نسبت عکس با طول دارد .
- ارتعاشهای یک صفحه تخت : بر خلاف موارد قبلی این ارتعاش دو بعدی می باشد یعنی ارتعاش هر نقطه بستگی به وضع آن نسبت به محور دارد مانند پوسته گرد که از اطراف بطور یکنواخت کشیده شده باشد و در آن نیروی برگرداننده وابسته به سختی در برابر نیروهای وابسته کششی قابل چشم پوشی است نمونه های آن پوسته کشیده شده روی دهانه طبل یا دیافراگم میکروفون خازنی است و دیگری ورقه نازک گرد است که عامل اصلی ارتعاش آن سختی جسم است از نمونه های آن دیافراگم های گوشی دهانه تلفنهای معمولی است
- صوت ناشی از امواج تخت : که معمولا فرکانسی بالاتر از حد شنوایی دارند و معمولا در گوش ایجاد درد می کنند که این امواج سه بعدی هستند مانند صدای هواپیمای جت .
2-1- بلندگوها :
بلندگوی ایده آل باید دارای مشخصات زیر باشد :
1- باید دارای کارایی الکترواستاتیکی نزدیک به صد در صد باشد .
2- پاسخ صوتی که از آن خارج می شود در فاصله کامل فرکانسهای قابل شنیدن مستقل از فرکانس باشد .
3- در صوت خروجی هارمونیک داخل نسازد و همچنین بوسیله مدولاسیون داخلی در آن عوجاج ایجاد نکند .
4- سیگنالهایی را که به آن واردمی شوند بتواند عینا به همان شکل دوباره بسازد.
5- قادر باشد صوت را در اطراف خود مستقل از راستای بخصوص منتشر کند .
6- تا حد امکان از لحلظ اندازه کوچک باشد .
ساختن بلندگویی که تمام خواص بالا را داشته باشد ممکن است مشکل باشد ولی سعی میکنیم حتی الامکان به این مشخصات نزدیک شویم .
دو نوعی که بیش از همه به کار می روند عبارتند از بلندگوهای دینامیکی و بلندگوهای بوق دار .هر دوی این بلندگوها از کوپلینگ الکترودینامیکی که بین حرکت صفحه ای مرتعش به نام مخروط بلندگو یا دیافراگم و جریان موجود در VOICE-COIL یا پیچک صوتی برقرار است استفاده می کنند .انواع دیگر کوپلینگ الکترو دینامیکی که برای این مقصود بکار می روند عبارتند از کوپلینگ الکترواستاتیک و کوپلینگ الکترومغناطیسی در گیرنده های تلفنی .
بلندگوی دینامیکی :
مخروط بلندگو تابش خود را به یک طرف دیوارک بیکران مسطحی که بلندگو روی آن نصب شده می فرستد .
اتلاف نیز وجود دارد که مربوط به انعطاف مکانیکی ماده چنین است که برای محدود کردن حرکت مخروط در لبه خارجی آن و نیز در نزدیک پیچک صوتی نصب شده و سبب می شود که حرکت آزاد مخروط فقط در امتداد محور آن باشد .وقتی فرکانس حرکت دهنده بالا باشد مخروط بلندگو دیگر به شکل یک واحد حرکت نمی کند بلکه به منطقه های مختلف تقسیم می گردد. یعنی وقتی که بعضی از این منطقه های روبه بیرون در حرکتند منطقه های دیگر حرکت رو به درون خواهند داشت .وقتی این عمل روی داد مقدار ثابت سربسته تغییر می کند .پیچک صوتی مستقیما به صفحه لرزان اتصال دارد و می تواند در میزان شعاع مغناطیسی که امتداد آن عمود بر پیچش پیچک قرار گرفته به جلو و عقب حرکت کند .اگر میدان مغناطیسی را که در آن پیچک حرکت نمی کند یکنواخت فرض می کنیم نیروی راننده که به مخروط بلندگو وارد می شود متناسب است با جریانی که داخل پیچک جاری است .به علت انعطاف پذیری سطح تابنده بلندگوی مخروطی راستای انتشار پرتوهای صوتی آن وسیع است .این خاصیت بواسطه محدود بودن سرعت موجهای ارتعاشی عرض در مخروط است که سبب می شود حرکت قسمتهای محیطهای مخروط نسبت به حرکت پیچک صوتی و قسمت مرکزی مخروط بیافتد. وقتی زاویه مخروط بزرگتر شود خاصیت راستا روی پرتوهای انتشار یافته اند از بلندگو کم شود .یعنی این خاصیت در زاویه های بزرگتر کمتر از وقتی است که زاویه کوچک باشد .علت این است که در حالت نخست سختی موثر سطح بلندگو کمتر است . سر انجام در فرکانسهای بالاتر از فرکانس اصلی رزونانس مربوط به سطح مخروط ، سخت نبودن آن سبب می گردد که قسمتهای مختلفش با فاز مخالف به ارتعاش در آیند در نتیجه شعاع موثر مخروط با زیاد شدن فرکانس کم می شود که سبب وسعت صدای منتشر شده از بلندگو می گردد. دو اثری که در کم کردن شعاع موثر مخروط پیدا می شود عبارت است از کم شدن مقاومت تابش که سبب کم شدن مقدار بازداده آکوستیکی در فرکانسهای زیاد می گردد با وجود این تا حدودی این کاهش بر اثر کم شدن جرم موثر متعلق به مخروط جبران گردد .در فرکانسهای کم که برای انتقال حرکت مرکز مخروط و رسیدن آن به حلقه بیرونی وقت کوتاهی نسبت به پریود ارتعاش لازم است می توان فرض کرد که مخروط مانند سطح سختی ارتعاش می کند .سرعت انتشار موجهای ارتعاشی عرضی در مخروط کاغذی عموما تابع کلفتی ، سختی و زاویه مخروط و همچنین تابع فرکانس وارد به آن است با وجود این در مخروطهای که معمولا در تجارت بکار می رود سرعت مشاهده شده در حدود 500 متر بر ثانیه است .در نتیجه برای رسیدن هر نوع آشفتگی ، حرکتی از پایین به حلقه بیرونی مخروطی به زاویه 120 که 501 متر شعاع آن باشد زمانی در حدود 4/1 ثانیه بیشتر لازم نیست و بنابراین می توان بطور معقولی فرض کرد که در فرکانس کمتر از 500 متر بر ثانیه است. در نتیجه برای رسیدن هر نوع آشفتگی ، حرکتی از پایین به حلقه بیرونی مخروطی به زاویه 120 که 501 متر شعاع آن باشد زمانی در حدود 4/1 ثانیه بیشتر لازم نیست و بنابراین می توان بطور معقولی فرض کرد که در فرکانس کمتر از 500 هرتز مخروط به شکل یک واحد یکپارچه حرکت می کند.
در فرکانسهای بالا دیگر مخروط به صورت یکپارچه ارتعاش نمی کند بلکه ارتعاش آن در منطقه های جداگانه ای که بوسیله دایره های گرهی از یکدیگر جدا می گردند انجام می پذیرد. دامنه ارتعاش در منطقه بیرونی نسبتاً کوچک است. چنانچه با تقریب می توان گفت ارتعاشها فقط از قسمت مرکزی با شعاع و جرم خاص که با زیاد شدت فرکانس کم می شود منتشر می شوند. این کاهش در شعاع مؤثر مخروط صورت می گیرد سبب می شود ایستادگی مؤثر به تشعشع تقریباً با کم شود.
چون این دستگاه در فرکانسهای بالا با جرم کنترل می شود بنابراین امپدانس مکانیکی آن مساوی است با . اگر از بکاهیم و بر فرکانس بافزائیم با سرعتی که پیستون سخت زیاد می شد افزایش نمی یابد. زیرا در پیستون سخت به مقدار ثابتی باقی می ماند.
-نتیجه این دو اثر این است که کارایی بلندگوی مخروطی برای فرکانسهای بیش از 1000 هرتز تا اندازه ای افزایش می یابد و اگر بخواهیم که مخروط کاغذی زیاد تقریباً مانند پیستون با شعاع کوچکتر ارتعاش کند این منظور را می توان تا حدود زیادی بدین سان تأمین کرد که مخروط را با تعداد زیادی قطعات چین دایره ای بسازیم وقتی که بلندگو را بوسیله تقویت کننده با لوله های تخلیه شده به ارتعاش درآوریم بسیار دشوار است که توان در داده آن را به مقدار معینی مستقل از فرکانس نگاهداریم. این دشواری به خصوص در فرکانسهای بالا زیاد می شود. در این فرکانسها امپدانس الکتریکی Z1 به سرعت با زیاد شدن رامتانس القایی Le زیاد می گردد در نتیجه وقتی که ولتاژ ثابتی را به دو قطب ورودی تقویت کننده متصل سازیم پاسخ آکوستیکی بدست می آید نسبت به منحنی پاسخ بلندگویی که توان مفروض ثابتی به آن وارد ساخته باشیم با سرعت بیشتری تنزل می کند. حل مسئله یکنواخت نگهداشتن بازداده آکوستیکی بلندگوها در فرکانسهای پائین دشوارتر است از حل همین مسئله در فرکانسهای بالا یکی از روشهای بهتر کردن پاسخ بلندگو در فرکانسهای کم این است که شعاع بلندگو را زیاد کنیم. با وجود این افزایش کارایی بدینوسیله بر طبق انتظار نخواهد بود زیرا که جرم بلندگو هم زیاد می شود. راه دیگر تقویت پاسخ در فرکانس پائین این است که سختی سیستم تعلیق را کم کنیم تا در نتیجه فرکانس رزونانس مکانیکی کاهش یابد.
ولی اگر سختی را زیاد کم کنیم جابجایی مخروط در فرکانسهای پائین خیلی زیاد می شود و این ممکن است تداخل هارمونیکها را موجب شود که این تداخل هرچقدر هم کم باشد اثر نامطلوب دارد زیرا موجب تیزی صوت و غیرطبیعی شدن آن می شود روش دیگر اصلاح بلندگو در فرکانسهای پائین این است که بلندگو را در نوعی جعبه که سبب تقویت خروجی می شود سوار کنند. گروهی از اینگونه جعبه ها خروجی با اینگونه تقویت می کنند که مقاومت تشعشعی را که بر مخروط بلندگو وارد می شود نسبت به بلندگویی که در دیوار نصب شده باشد افزایش می دهند.
جمع شرایط لازم برای تأمین خروجی مطلوب در فرکانسهای بالا و پائین امکان پذیر نیست بنابراین برای اینکه بلندگویی جهت استفاده در فاصلة وسیعی از فرکانسها داشته باشیم لازم است حداقل دو بلتدگو به کار بریم که یکی برای فرکانسهای پائین و دیگری برای فرکانسهای بالا مطلوب باشد. هر یک از این دو بلندگو بوسیله یک شبکه الکتریکی متوازن به تقویت کننده متصل می گردند تا این شبکه به هر کدام از آنها فرکانسی را انتقال دهد که پاسخ آن واحد در آن فرکانس نسبتاً پذیرفتنی و یکنواخت باشد.
بلندگوهای بوق دار:
هرگاه به چشمه صوت کوچکی بوق مناسبی متصل سازیم خروجی آن در فرکانسهای پائین بهتر می شود. در حقیقت عمل چنین بوقی مانند عمل ترانسفورماتور است. یعنی امپدانس بار هوایی را که معمولاً چگالی آن کم است با امپدانس پیستون مرتعش که جرم نسبتاً بیشتری دارد بطور مؤثری متوازن می سازد، در فرکانسهای بالا اثر بوق قابل صرف نظر است زیرا فرکانسهای بالا که از چشمه صوت برمی خیزد معمولاً بصورت تابة باریک منتشر می گراند و از اینرو دیواره های دیواره های بوق اثر زیادی ندارد. مهمترین خصوصیت بوق این است که امپدانس گلوی آن با فرکانس تغییر می کند اما امپدانس گلو نیز تابع سطح گلوی بوق، دهانه آن و میزان ازدیاد سطح مقطع قائم بوق است. وقتی سطح دهانه بوق بسیار زیاد باشد تأثیرش به امپدانس گلو ناچیز است و در این حالت تغییر امپدانس با فرکانس در درجه اول تابع شکل بوق است.